Самый мощный из когда-либо построенных космических телескопов будет оглядываться во времени на темные века Вселенной

Некоторые называют космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА «телескоп, который съел астрономию. » Это самый мощный космический телескоп когда-либо построенный и сложный образец механического оригами, который раздвинул границы человеческой инженерии. 18 декабря 2021 года, после нескольких лет задержек и перерасхода средств на миллиарды долларов, телескоп запланирован запуск на орбиту и открыть новую эру астрономии.

Я астроном по специальности наблюдательная космология — 30 лет изучаю далекие галактики. Некоторые из самых больших оставшихся без ответа вопросов о Вселенной относятся к ее ранним годам сразу после Большого Взрыва. Когда образовались первые звезды и галактики? Что было первым и почему? Я невероятно взволнован тем, что астрономы могут вскоре раскрыть историю возникновения галактик, потому что Джеймс Уэбб был создан специально для того, чтобы ответить на эти самые вопросы.

«Темные века» Вселенной

Превосходные доказательства показывают, что Вселенная началась с события, называемого Большой взрыв 13.8 миллиарда лет назад, что оставило его в сверхгорячем и сверхплотном состоянии. Вселенная сразу же начала расширяться после Большого взрыва, охлаждаясь при этом. Через одну секунду после Большого взрыва Вселенная имела диаметр сто триллионов миль со средней температурой невероятных 18 миллиардов градусов по Фаренгейту (10 миллиардов градусов по Цельсию). Примерно через 400,000 10 лет после Большого взрыва Вселенная имела диаметр XNUMX миллионов световых лет, а температура понизилась до 5,500 градусов по Фаренгейту (3,000 градусов по Цельсию). Если бы кто-нибудь был там, чтобы увидеть это в этот момент, Вселенная светилась бы тусклым красным светом, как гигантская тепловая лампа.

На протяжении всего этого времени космос был наполнен густым супом из высокоэнергетических частиц, радиации, водорода и гелия. Структуры не было. По мере того, как расширяющаяся Вселенная становилась больше и холоднее, суп становился все жиже, и все становилось черным. Это было началом того, что астрономы называют Темные времена Вселенной.

Суп Темных веков был не идеально однородный и из-за гравитации крошечные участки газа начали слипаться и становиться более плотными. Гладкая Вселенная стала комковатой, и эти маленькие сгустки более плотного газа стали семенами для возможного образования звезд, галактик и всего остального во Вселенной.

Хотя смотреть было не на что, темные века были важной фазой эволюции Вселенной.

В поисках первого света

Темные века закончились, когда гравитация сформировала первые звезды и галактики, которые в конечном итоге начали излучать первый свет. Хотя астрономы не знают, когда появился первый свет, лучше всего предположить, что это было несколько сотен миллионов лет после Большого Взрыва. Астрономы также не знают, что образовалось первым: звезды или галактики.

Текущие теории Основываясь на том, как гравитация формирует структуру во Вселенной, в которой преобладает темная материя, можно предположить, что небольшие объекты, такие как звезды и звездные скопления, вероятно, сначала сформировались, а затем превратились в карликовые галактики, а затем в более крупные галактики, такие как Млечный Путь. Эти первые звезды во Вселенной были экстремальными объектами по сравнению с сегодняшними звездами. Они были в миллион раз ярче но они прожили очень короткую жизнь. Они горели жарко и ярко, и когда они умерли, они оставили черных дыр до сотни раз больше массы Солнца, что могло бы действовали как семена для формирования галактики.

Астрономы хотели бы изучить эту захватывающую и важную эпоху Вселенной, но обнаружение первого света невероятно сложно. По сравнению с сегодняшними массивными яркими галактиками первые объекты были очень маленькими, и из-за постоянного расширения Вселенной они теперь находятся в десятках миллиардов световых лет от Земли. Кроме того, самые ранние звезды были окружены газом, оставшимся после их образования, и этот газ действовал как туман, поглощая большую часть света. Потребовалось несколько сотен миллионов лет, чтобы радиация, чтобы взорвать туман. Этот ранний свет становится очень слабым к тому времени, когда он достигает Земли.

Но это не единственная проблема.

Поскольку Вселенная расширяется, она постоянно увеличивает длину волны света, проходящего через нее. Это называется Красное смещение потому что он смещает свет с более короткими длинами волн, например, синий или белый свет, в более длинные волны, такие как красный или инфракрасный свет. Хотя это и не идеальная аналогия, это похоже на то, как когда автомобиль проезжает мимо вас, высота любых звуков, которые он издает, заметно падает.

К тому времени, когда свет, излученный ранней звездой или галактикой 13 миллиардов лет назад, достигает любого телескопа на Земле, он растягивается в 10 раз из-за расширения Вселенной. Он приходит в виде инфракрасного света, а это означает, что его длина волны больше, чем у красного света. Чтобы увидеть первый свет, вы должны искать инфракрасный свет.

Телескоп как машина времени

Войдите в космический телескоп Джеймса Уэбба.

Телескопы как машины времени. Если объект находится на расстоянии 10,000 10,000 световых лет, это означает, что свету требуется XNUMX XNUMX лет, чтобы достичь Земли. Таким образом, чем дальше в космос смотрят астрономы, тем назад во времени мы смотрим.

Инженеры оптимизированный Джеймс Уэбб специально для обнаружения слабого инфракрасного света самых ранних звезд или галактик. По сравнению с космическим телескопом Хаббла, Джеймс Уэбб имеет в 15 раз более широкое поле зрения на своей камере, собирает в шесть раз больше света, а его датчики максимально чувствительны к инфракрасному свету.

Стратегия будет заключаться в смотреть глубоко на один участок неба в течение длительного времени, собирая как можно больше света и информации от самых далеких и древних галактик. С помощью этих данных можно будет ответить, когда и как закончились Темные века, но предстоит сделать много других важных открытий. Например, распутывание этой истории может также помогите объяснить природу темной материи, таинственная форма материи, которая составляет около 80 процентов массы Вселенной.

Джеймс Уэбб – это самая технически сложная миссия НАСА когда-либо пыталось. Но я думаю, что научные вопросы, на которые он может помочь ответить, будут стоить каждой унции усилий. Я и другие астрономы с нетерпением жду начала поступления данных где-то в 2022 году.

Эта статья переиздана из Беседа под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.

Изображение предоставлено: Глубокое поле Хаббла / НАСА

Источник: https://singularityhub.com/2021/10/24/the-most-powerful-space-telescope-ever-built-will-look-back-in-time-to-the-dark-age-of- Вселенная/